JP3835394B2 - Carbon nanotube production method and apparatus - Google Patents

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JP3835394B2 JP2002314126A JP2002314126A JP3835394B2 JP 3835394 B2 JP3835394 B2 JP 3835394B2 JP 2002314126 A JP2002314126 A JP 2002314126A JP 2002314126 A JP2002314126 A JP 2002314126A JP 3835394 B2 JP3835394 B2 JP 3835394B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はアーク放電法によってカーボンナノチューブを製造するカーボンナノチューブの製造方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
カーボンナノチューブとは、炭素原子が6角形に規則正しく並んだグラフェンシートが円筒形に丸まったものであり、特異な物性を有していることから、新素材として注目されている。このようなカーボンナノチューブは、2つの炭素材料間にてアーク放電を行うことにより、陰極側の炭素電極側に凝集する堆積物中及びアーク周辺部に飛散する煤状物中に形成されることが知られている。そして、アーク放電法によってカーボンナノチューブの収率を向上させるための技術が種々提案されている。
【0003】
例えば、希ガス中でアーク放電し、カーボンを蒸発させた後凝縮させてカーボンナノチューブを形成させるに際し、希ガスで満たされた反応チャンバーの温度範囲を1000℃〜4000℃としてアーク放電することで、長さと直径の分布のそろったカーボンナノチューブを製造するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、炭素陽極と炭素陰極の両方を円筒形状のカーボンヒータで覆い、カーボンヒータの放熱温度が500℃〜2000℃となるようにしてアーク放電を行うようにすることで、生成されるカーボンナノチューブの純度及び収量を増加させるようにしたものもある(例えば、特許文献2参照)。
さらに、炭素電極からなる陽極の先端部分を加熱した後、アーク放電することにより均質なカーボンナノチューブを効率よく生成することが出来るとしているものもある(例えば、特許文献3参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平6−157016号公報
【特許文献2】
特開2000−203820号公報
【特許文献3】
特開2000−344505号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1のように反応チャンバー全体の温度を上げる場合、製造装置が複雑になるという問題がある。
また、両電極または陽極のみを加熱する場合は、陽極電極の消耗量が大きい割りにカーボンナノチューブの合成比率が低いという問題がある。
【0006】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、製造装置の単純化ができると共に生成されるカーボンナノチューブの合成比率を高めることを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るカーボンナノチューブの製造方法は、炭素材料からなる陰極を用いて直流アーク放電を行うことにより、カーボンナノチューブを合成するものであって、陰極炭素材料全体もしくは陰極炭素材料のアーク放電部を予熱してから陽極との間にアーク放電を行うとともに、前記陽極を冷却するものである。
【0008】
また、陰極と陽極の相対位置を移動させながら直流アーク放電を行うものである。
【0009】
また、アーク放電中において、陰極炭素材料全体もしくは陰極炭素材料のアーク放電部をアーク放電とは別の加熱手段によって加熱するものである。
【0010】
また、予熱温度を500℃〜2000℃とすることを特徴とするものである。
【0011】
また、予熱方法を高周波誘導加熱または別電極によるアーク放電またはレーザー照射による加熱または別電源による通電加熱とすることを特徴とするものである。
【0013】
また、本発明に係るカーボンナノチューブの製造装置は、炭素材料からなる陰極電極と、該陰極電極と所定の間隔を離して対向配置された陽極電極と、該陽極電極及び前記陰極電極に接続されてこれらの電極間にアーク放電を起こさせるアーク放電用電源と、前記陰極電極全体または前記陰極電極のアーク放電部を加熱する加熱手段と、前記陽極電極を冷却する陽極冷却手段とを備えたものである。
【0014】
また、陰極電極と陽極電極を相対的に移動させる移動手段を備えたものである。
【0015】
また、加熱手段は、高周波誘導加熱装置または別電極によるアーク放電装置またはレーザーまたは別電源による通電加熱装置であることを特徴とするものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
具体的な実施の形態を説明する前に、本発明がなされるに至った経緯を説明する。
アーク放電によるカーボンナノチューブ合成の一般的な考えは、主として陽極炭素電極から発生した炭素蒸気および炭素イオンが陰極側に拡散し、陽極より温度の低い陰極電極表面にて凝縮することによりカーボンナノチューブ(特に多層カーボンナノチューブ)が合成されるというものである。
そのため、陰極の温度は低い方がカーボンナノチューブの成長速度が速く、陰極材料は耐熱性導電材料であれば炭素材料である必要もないと考えられている。
このような考えを前提として、陽極からの炭素蒸気および炭素イオンを増加させることがカーボンナノチューブの合成比率を高めることに大きく寄与するものとされていた。
このため、従来例で示したようにカーボンナノチューブの収量を大きくするために、反応系全体、あるいは陽極の加熱が行われていたのである。
【0017】
しかしながら、本願の発明者の実験によると、陽極からの炭素蒸気および炭素イオンのみを増加させても黒鉛質炭素紛もしくは非晶質炭素紛が陰極表面に多量に付着し、カーボンナノチューブの合成比率の低いものしか生成できなかった。
そこで、本願の発明者は種々実験を繰り返した結果、カーボンナノチューブの合成比率を高める最も重要なファクターは陽極温度を高くすることではなく、カーボンナノチューブが生成される陰極の温度制御が最も重要なファクターであり、陰極温度を適正な温度範囲に保つことこそが純度の高いカーボンナノチューブを生成する上で重要であるとの知見を得た。
【0018】
本発明はこのような知見に基づくものであり、従来、陽極温度のみに着目していたことからの発想の転換を図った結果生まれたものである。以下、本願発明の具体的な実施の形態について説明する。
【0019】
実施の形態1.
図1は本発明の一実施の形態の構成説明図であり、カーボンナノチューブ製造装置の基本的な構成を示したものである。
本実施の形態のカーボンナノチューブ製造装置は、炭素材料からなる炭素陰極1、炭素材料からなる陽極3、アーク放電発生用直流電源5、陰極予熱手段7、陽極冷却手段9から構成されている。
【0020】
炭素陰極1と陽極3は適当な間隙を介して配置され、それぞれアーク放電発生用直流電源5に接続される。炭素陰極1と陽極3は反応チャンバーに入れてもよいし、あるいは容器外の大気雰囲気下でも構わない。 陰極加熱手段7は、例えばYAGレーザのようにレーザ照射により炭素陰極1の放電発生部を予熱もしくは加熱できるものであればよい。陽極冷却手段9は、例えば陽極3の放電発生部近傍に取り付けられた水冷銅であり、放電発生部近傍の陽極外周を冷却する。
【0021】
また、陽極側には、図示していない放電ガス供給手段が設けられており、例えば不活性ガス好ましくはArガス、およびこれらのガスを含む混合ガスを、陽極3から陰極1に至る放電発生空間に、陽極側から陰極側に向けて連続供給できるように構成されている。ここに言う放電発生空間とは、陽極側から陰極側に至るアーク発生空間をいう。このように、放電発生空間に不活性ガスを連続供給することで、ガスの電離度が高くなってガス流経路に沿ってアークが発生し、その陰極点の移動が抑制される。これによって、固定された陰極点で高純度のカーボンナノチューブが合成されることになる。
【0022】
次に、以上のように構成されたカーボンナノチューブ製造装置によってカーボンナノチューブを製造する方法を説明する。
陰極加熱手段7により、炭素陰極1の放電発生部を予熱すると共に陽極冷却手段9によって陽極の放電発生部近傍を冷却する。この状態で放電用ガス供給手段から放電発生空間に不活性ガスを供給してアーク放電を行う。
【0023】
このとき、炭素陰極1の放電発生部が予熱されており、炭素陰極表面にはカーボンナノチューブが成長しやすい温度域の領域が形成されている。このため、アーク放電の開始と共に、この領域でカーボンナノチューブの生成が開始され、その結果カーボンナノチューブ生成量が増大する。ここで、予熱した領域においてカーボンナノチューブ生成量が増大する理由は、予熱した領域にアーク放電がなされることにより、カーボンナノチューブが成長しやすい温度になるためと考えられる。
【0024】
また、陽極冷却手段9による冷却により陽極3の過熱を防ぐことができ、陽極3の過度の蒸発を抑制できる。これにより、蒸発した陽極材料が生成されたカーボンナノチューブ表面に不純物として付着し、純度を下げるのを抑制できる。さらに、陽極3の消耗を抑えることができ、陽極の長寿命化が図られる。
【0025】
(実施例1)
以下、上記実施の形態1の実施例を説明する。
本実施例の各機器等の条件は以下の通りである。
(1)炭素陰極1:板状炭素材料(抵抗値600μΩ・cm)
(2)陽極3:棒状炭素材料
(3)放電用ガス:Arガス(陽極放電発生部に供給)
(4)雰囲気ガス:大気雰囲気
(5)陰極加熱手段:YAGレーザ(ビーム照射径が陰極表面の放電発生部の径とほぼ等しくなるように調整した。)
(6)陽極冷却手段:水冷銅
【0026】
上記の条件の下、板状炭素材料と棒状炭素材料間に適当な間隙を設け、アーク放電用電源より電流を供給し、1秒間アーク放電を行った。
このときレーザ出力を変化させ板状炭素陰極加熱温度と生成したカーボンナノチューブの量を観察した。観察の結果、アーク放電を開始する前のレーザ照射のみで陰極表面が500℃〜2000℃となる予熱を行うことでカーボンナノチューブの生成量が増大していることが確認された。
【0027】
なお、加熱の有無、加熱温度とカーボンナノチューブ生成状態の関係を図2に示す。図2はアークの陰極点中心部の拡大写真である。図2から分かるように、予熱をしなかった場合には、カーボンナノチューブは全く生成されなかった。500℃の予熱をしたものは、カーボンナノチューブが一面に生成されているのが分かる。また、2000℃の予熱をしたものは、カーボンナノチューブが一面に生成されると共に、チューブが長く成長しているのが分かる。2500℃の予熱をしたものは、カーボンナノチューブが見られなかった。これは、2500℃の予熱にアーク放電による発熱が加わると、カーボンナノチューブ生成個所である陰極が過熱され、生成したカーボンナノチューブが昇華あるいは分解するためと思われるが、いずれにしてもカーボンナノチューブの生成量は著しく低下する。
【0028】
この実施例から陰極予熱温度によりカーボンナノチューブ生成量が影響されることが明らかになった。また、炭素陰極の予熱温度についても、500℃〜2000℃とすることが最適であることも分かった。
【0029】
なお、この実施例において予熱をしなかった場合において、カーボンナノチューブが全く生成されなかったが、これはアーク放電時間が1秒と短いためである。
したがって、長時間アーク放電を行い、陰極放電部の温度が上昇して予熱を行った場合と同様な生成条件域に到達すれば、カーボンナノチューブは生成する。
しかしながら、陰極部の温度がカーボンナノチューブが生成する温度域にまで到達するか否かは、陰極炭素材料の大きさ、かさ密度、比熱、熱伝導度、放電条件などにより大きく異なるため、その選定は容易ではない。
これに対して、本発明のように、予熱・加熱を行えば、これらの変動要因にさほど影響されずに高収率でカーボンナノチューブを生成させることが出来る。
【0030】
実施の形態2.
図3は本発明の他の実施の形態の構成説明図であり、図1と同様にカーボンナノチューブ製造装置の基本的な構成を示したものである。図3において、図1に示した構成と同一部分には同一の符号を付している。
本実施の形態のカーボンナノチューブ製造装置は、炭素陰極1、陽極3、アーク放電発生用直流電源5、陰極加熱手段11、陽極冷却手段13、陽極3を炭素陰極1に対して相対的に移動させる移動機構15から構成されている。
【0031】
移動機構15はレール17上を所定速度で走行できる台車19から構成され、台車19に陽極3が取り付けられている。
陰極加熱手段11は陽極3の台車19移動方向前方に設置された高周波誘導加熱装置から構成されている。陰極加熱手段11の設置方法としては陽極冷却手段13に取り付けてもよいし、あるいは台車19に直接取り付けてもよい。
陽極冷却手段13は実施の形態1と同様のものであり、陽極3の放電発生部近傍に設置された水冷銅である。
【0032】
以上のように構成されたカーボンナノチューブ製造装置によってカーボンナノチューブを製造する方法について説明する。
基本的な装置の動作は実施の形態1と同様であり、陰極加熱手段11により、炭素陰極1の放電発生部を予熱すると共に陽極冷却手段13によって陽極3の放電発生部近傍を冷却する。この状態で図示しない放電用ガス供給手段から放電発生空間に不活性ガスを噴射してアーク放電を行いつつ、台車19を所定の速度、例えば10cm/minで移動させる。
【0033】
本実施の形態によれば、陰極加熱手段11が陽極3の前方に配置されているので、台車19の移動と共に放電発生部を予熱することになり、前述した実施の形態1の効果が得られると共に、連続的にカーボンナノチューブの生成を行えるという効果を奏する。
【0034】
なお、上記の実施の形態2においては、炭素陰極1の例として、平板又は角柱状のものを想定し、陽極3が炭素陰極1の表面に沿う方向に移動する例を示した。
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば図4の模式図に示すように、炭素陰極1として円柱状のものを用いて該炭素陰極1を回転させると共に、陽極3を円柱の軸線方向に移動させる。また、このとき炭素陰極1の両端部を交流電源に接続することで抵抗発熱による自己発熱で炭素陰極1全体を加熱するようにしてもよい。このようにすれば、簡単な装置で炭素陰極1の予熱・加熱が実現できる。
【0035】
もっとも、陰極材料が大型となった場合、抵抗発熱にて陰極全体を予熱・加熱するためには、電源の大型化を招くだけでなく、輻射による陰極材料の熱損失も大きく電気使用量の増大を招く。
したがって、このような場合には、図5に示すように、レーザ発振機を陽極3の近傍に設置して、アーク放電の陰極点又は陰極点前方を部分的に加熱するようにしてもよい。
このように、局所的な加熱で足りるのは、カーボンナノチューブの生成は陰極材料の放電発生部の温度のみしか影響しないからである。局所加熱熱源の他の例としては、カーボンナノチューブの生成用の電極とは別の電極によるアーク放電なども考えられる。
【0036】
(実施例2)
以下、上記実施の形態2の実施例を説明する。
本実施例の条件は以下の通りである。
(1)炭素陰極1:平板状炭素材料
(2)陽極3:棒状炭素材料
(3)放電用ガス:Arガス(陽極放電発生部に供給)
(4)雰囲気ガス:大気雰囲気
(5)陰極加熱手段:高周波誘導加熱装置(炭素陰極との間隔:4mm)
(6)陽極冷却手段:水冷銅
(7)台車19移動速度:10cm/min
【0037】
上記の条件で高周波誘導加熱装置の発進周波数を10kHzとして加熱を行うと、高周波誘導加熱のみで陰極温度が800℃に上昇した。
この状態で放電用ガス供給装置よりArガスを放電空間に噴射し、陽極と陰極のあいだにアーク放電を発生させると、高密度・高純度のカーボンナノチューブが生成される。
【0038】
なお、本実施例においては大気中放電時間を5分としたが、陽極を冷却しない場合には消耗が激しく、2分以上の連続放電は不可能であった。これに対して、陽極を水冷したものは放電開始直後に多少消耗するが、その後消耗量が低くなり長時間放電が可能になった。
【0039】
出来上がったカーボンナノチューブの表面を観察すると、陽極を冷却した場合はしない場合に比べ、不純物の付着量が減少していることが観察された。図6はアーク陰極点の中心部の拡大写真であるが、この写真からも陽極冷却の有無による不純物付着状況に違いが顕著に分かる。
【0040】
この実施例の結果から、陰極放電発生部に生成されるカーボンナノチューブに付着・堆積する炭素不純物の多くは陽極からの飛来物であることが確認された。したがって、陽極を冷却することにより必要以上の陽極消耗を抑え、陰極表面に生成されたカーボンナノチューブに不純物となる陽極からの飛散物の堆積を抑制することが可能となるだけでなく、陽極の長寿命化が図れることが実証できた。
【0041】
上記の実施の形態においては、陽極として炭素材料を用いた例を挙げたが、本発明の陽極は炭素材料に限られるものではなく、水冷した銅電極であってもよい。
【0042】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明においては、陰極炭素材料全体もしくは陰極炭素材料のアーク放電部を予熱してから陽極との間にアーク放電を行うようにしたので、簡単な装置でカーボンナノチューブの収量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態の構成の説明図である。
【図2】 本発明の一実施の形態に係るカーボンナノチューブ製造方法により得られた陰極堆積物の中心部の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
【図3】 本発明の他の実施の形態の構成の説明図である。
【図4】 本発明の他の実施の形態の他の態様の説明図である。
【図5】 本発明の他の実施の形態の他の態様の説明図である。
【図6】 本発明の他の実施の形態に係るカーボンナノチューブ製造方法により得られた陰極堆積物の中心部の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
【符号の説明】
1 炭素陰極
3 陽極
5 アーク放電用電源
7、11 陰極加熱手段
9、13 陽極冷却手段
15 移動機構
19 台車
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon nanotube production method and apparatus for producing carbon nanotubes by an arc discharge method.
[0002]
[Prior art]
A carbon nanotube is a graphene sheet in which carbon atoms are regularly arranged in a hexagonal shape, which is rounded into a cylindrical shape, and has a special physical property, and thus attracts attention as a new material. Such a carbon nanotube may be formed in a deposit aggregated on the carbon electrode side on the cathode side and in a cage-like material scattered around the arc by performing an arc discharge between the two carbon materials. Are known. Various techniques for improving the yield of carbon nanotubes by the arc discharge method have been proposed.
[0003]
For example, when arc discharge is performed in a rare gas, carbon is evaporated and then condensed to form a carbon nanotube, the temperature range of the reaction chamber filled with the rare gas is set to 1000 ° C. to 4000 ° C., and arc discharge is performed. One that produces carbon nanotubes with a uniform distribution of length and diameter is known (see, for example, Patent Document 1).
Further, by covering both the carbon anode and the carbon cathode with a cylindrical carbon heater and performing arc discharge so that the heat radiation temperature of the carbon heater is 500 ° C. to 2000 ° C., Some have increased purity and yield (see, for example, Patent Document 2).
Furthermore, there is a technique in which homogeneous carbon nanotubes can be efficiently generated by heating the tip of an anode made of a carbon electrode and then performing arc discharge (see, for example, Patent Document 3).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-6-157016 [Patent Document 2]
JP 2000-203820 [Patent Document 3]
JP 2000-344505 A
[Problems to be solved by the invention]
When raising the temperature of the whole reaction chamber like patent document 1, there exists a problem that a manufacturing apparatus becomes complicated.
Further, when only both electrodes or the anode is heated, there is a problem that the synthesis ratio of the carbon nanotubes is low although the consumption amount of the anode electrode is large.
[0006]
The present invention has been made to solve such problems, and it is an object of the present invention to simplify the production apparatus and increase the synthesis ratio of the produced carbon nanotubes.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The carbon nanotube production method according to the present invention synthesizes carbon nanotubes by performing direct current arc discharge using a cathode made of a carbon material, and comprises the entire cathode carbon material or the arc discharge portion of the cathode carbon material. Arc discharge is performed between the anode and the anode after preheating, and the anode is cooled .
[0008]
Further, DC arc discharge is performed while moving the relative position of the cathode and the anode.
[0009]
Further, during the arc discharge, the entire cathode carbon material or the arc discharge portion of the cathode carbon material is heated by a heating means different from the arc discharge.
[0010]
Further, the preheating temperature is set to 500 ° C. to 2000 ° C.
[0011]
Further, the preheating method is characterized by high frequency induction heating, heating by arc discharge or laser irradiation by another electrode, or energization heating by another power source.
[0013]
In addition, the carbon nanotube manufacturing apparatus according to the present invention includes a cathode electrode made of a carbon material, an anode electrode disposed opposite to the cathode electrode at a predetermined interval, and connected to the anode electrode and the cathode electrode. An arc discharge power source for causing arc discharge between these electrodes, a heating means for heating the entire cathode electrode or an arc discharge portion of the cathode electrode, and an anode cooling means for cooling the anode electrode is there.
[0014]
Moreover, the moving means which moves a cathode electrode and an anode electrode relatively is provided.
[0015]
The heating means is a high-frequency induction heating device, an arc discharge device using a separate electrode, or an energization heating device using a laser or a separate power source.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Before describing specific embodiments, the background to the present invention will be described.
The general idea of carbon nanotube synthesis by arc discharge is that carbon vapor and carbon ions generated mainly from the anode carbon electrode diffuse to the cathode side and condense on the surface of the cathode electrode, where the temperature is lower than that of the anode. Multi-walled carbon nanotubes) are synthesized.
Therefore, it is considered that the lower the temperature of the cathode, the faster the growth rate of carbon nanotubes, and the cathode material need not be a carbon material if it is a heat-resistant conductive material.
On the premise of such an idea, increasing carbon vapor and carbon ions from the anode has been considered to greatly contribute to increasing the synthesis ratio of carbon nanotubes.
For this reason, as shown in the conventional example, the entire reaction system or the anode is heated in order to increase the yield of carbon nanotubes.
[0017]
However, according to the experiments of the inventors of the present application, even if only the carbon vapor and carbon ions from the anode are increased, a large amount of graphitic carbon powder or amorphous carbon powder adheres to the cathode surface. Only low ones could be generated.
Therefore, as a result of repeating various experiments, the inventors of the present application have found that the most important factor for increasing the synthesis ratio of carbon nanotubes is not to increase the anode temperature, but the most important factor is to control the temperature of the cathode where the carbon nanotubes are produced. Thus, it was found that maintaining the cathode temperature within an appropriate temperature range is important for producing high-purity carbon nanotubes.
[0018]
The present invention is based on such knowledge, and was born as a result of a change in concept from the conventional focus on only the anode temperature. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described.
[0019]
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of an embodiment of the present invention, and shows the basic configuration of a carbon nanotube production apparatus.
The carbon nanotube manufacturing apparatus according to the present embodiment includes a carbon cathode 1 made of a carbon material, an anode 3 made of a carbon material, a DC power source 5 for generating arc discharge, a cathode preheating means 7 and an anode cooling means 9.
[0020]
The carbon cathode 1 and the anode 3 are arranged with an appropriate gap, and each is connected to a DC power source 5 for generating arc discharge. The carbon cathode 1 and the anode 3 may be placed in a reaction chamber or may be in an air atmosphere outside the container. The cathode heating means 7 may be any one that can preheat or heat the discharge generating portion of the carbon cathode 1 by laser irradiation, such as a YAG laser. The anode cooling means 9 is, for example, water-cooled copper attached in the vicinity of the discharge generating portion of the anode 3 and cools the outer periphery of the anode in the vicinity of the discharge generating portion.
[0021]
Discharge gas supply means (not shown) is provided on the anode side. For example, an inert gas, preferably Ar gas, and a mixed gas containing these gases are discharged from the anode 3 to the cathode 1. In addition, it can be continuously supplied from the anode side toward the cathode side. The discharge generation space here refers to an arc generation space from the anode side to the cathode side. In this way, by continuously supplying the inert gas to the discharge generation space, the ionization degree of the gas is increased, an arc is generated along the gas flow path, and the movement of the cathode spot is suppressed. As a result, high-purity carbon nanotubes are synthesized at the fixed cathode spot.
[0022]
Next, a method for producing carbon nanotubes using the carbon nanotube production apparatus configured as described above will be described.
The cathode heating means 7 preheats the discharge generating portion of the carbon cathode 1 and the anode cooling means 9 cools the vicinity of the anode discharge generating portion. In this state, an arc discharge is performed by supplying an inert gas from the discharge gas supply means to the discharge generation space.
[0023]
At this time, the discharge generating portion of the carbon cathode 1 is preheated, and a temperature region where carbon nanotubes are likely to grow is formed on the surface of the carbon cathode. For this reason, with the start of arc discharge, the production of carbon nanotubes is started in this region, and as a result, the amount of carbon nanotube production increases. Here, the reason why the amount of carbon nanotubes generated in the preheated region increases is considered to be that the temperature at which the carbon nanotubes easily grow is obtained by performing arc discharge in the preheated region.
[0024]
Moreover, the anode 3 can be prevented from being overheated by the cooling by the anode cooling means 9, and excessive evaporation of the anode 3 can be suppressed. Thereby, it can suppress that the evaporated anode material adheres as an impurity to the carbon nanotube surface in which the anode material was generated, and lowers the purity. Furthermore, consumption of the anode 3 can be suppressed, and the life of the anode can be extended.
[0025]
Example 1
Hereinafter, examples of the first embodiment will be described.
The conditions of each device etc. of the present embodiment are as follows.
(1) Carbon cathode 1: plate-like carbon material (resistance value 600 μΩ · cm)
(2) Anode 3: Rod-like carbon material (3) Discharge gas: Ar gas (supplied to the anode discharge generation part)
(4) Atmospheric gas: Atmospheric atmosphere (5) Cathode heating means: YAG laser (Adjusted so that the beam irradiation diameter is substantially equal to the diameter of the discharge generating portion on the cathode surface.)
(6) Anode cooling means: water-cooled copper
Under the above conditions, an appropriate gap was provided between the plate-like carbon material and the rod-like carbon material, and an electric current was supplied from the arc discharge power source to perform an arc discharge for 1 second.
At this time, the laser output was changed to observe the plate-like carbon cathode heating temperature and the amount of carbon nanotubes produced. As a result of observation, it was confirmed that the amount of carbon nanotubes generated was increased by performing preheating of the cathode surface to 500 ° C. to 2000 ° C. only by laser irradiation before starting arc discharge.
[0027]
FIG. 2 shows the relationship between the presence or absence of heating, the heating temperature, and the carbon nanotube production state. FIG. 2 is an enlarged photograph of the central part of the cathode spot of the arc. As can be seen from FIG. 2, no carbon nanotubes were produced when preheating was not performed. It can be seen that carbon nanotubes are formed on one side of the sample preheated at 500 ° C. In addition, in the case of preheating at 2000 ° C., carbon nanotubes are generated on one side, and it can be seen that the tube grows long. Carbon nanotubes were not observed in the sample preheated at 2500 ° C. This seems to be because when the heat generated by arc discharge is added to the preheating at 2500 ° C, the cathode where the carbon nanotubes are generated is overheated, and the generated carbon nanotubes are sublimated or decomposed. The amount is significantly reduced.
[0028]
From this example, it became clear that the amount of carbon nanotube production was influenced by the cathode preheating temperature. It was also found that the preheating temperature of the carbon cathode is optimally set to 500 ° C to 2000 ° C.
[0029]
In the case where no preheating was performed in this example, no carbon nanotubes were generated, because the arc discharge time was as short as 1 second.
Therefore, if the arc discharge is performed for a long time and the temperature of the cathode discharge part rises to reach the same generation condition region as that in the case of preheating, the carbon nanotube is generated.
However, whether or not the temperature of the cathode part reaches the temperature range where the carbon nanotubes are generated varies greatly depending on the size, bulk density, specific heat, thermal conductivity, discharge conditions, etc. of the cathode carbon material. It's not easy.
On the other hand, if preheating and heating are performed as in the present invention, carbon nanotubes can be generated in a high yield without being greatly affected by these fluctuation factors.
[0030]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of another embodiment of the present invention, and shows the basic configuration of a carbon nanotube production apparatus in the same manner as FIG. In FIG. 3, the same parts as those shown in FIG.
The carbon nanotube production apparatus of the present embodiment moves the carbon cathode 1, the anode 3, the arc power generation DC power supply 5, the cathode heating means 11, the anode cooling means 13, and the anode 3 relative to the carbon cathode 1. The moving mechanism 15 is configured.
[0031]
The moving mechanism 15 includes a carriage 19 that can travel on the rail 17 at a predetermined speed, and the anode 3 is attached to the carriage 19.
The cathode heating means 11 is composed of a high frequency induction heating device installed in the moving direction of the carriage 19 of the anode 3. The cathode heating means 11 may be installed on the anode cooling means 13 or directly on the carriage 19.
The anode cooling means 13 is the same as that in the first embodiment, and is water-cooled copper installed in the vicinity of the discharge generating portion of the anode 3.
[0032]
A method for producing carbon nanotubes using the carbon nanotube production apparatus configured as described above will be described.
The basic operation of the apparatus is the same as that of the first embodiment. The cathode heating means 11 preheats the discharge generating portion of the carbon cathode 1 and the anode cooling means 13 cools the vicinity of the discharge generating portion of the anode 3. In this state, the carriage 19 is moved at a predetermined speed, for example, 10 cm / min, while performing an arc discharge by injecting an inert gas from a discharge gas supply means (not shown) into the discharge generation space.
[0033]
According to the present embodiment, since the cathode heating means 11 is arranged in front of the anode 3, the discharge generating portion is preheated with the movement of the carriage 19, and the effect of the first embodiment described above can be obtained. At the same time, the carbon nanotubes can be continuously produced.
[0034]
In the second embodiment, the example of the carbon cathode 1 is assumed to be a flat plate or a prism, and the anode 3 moves in the direction along the surface of the carbon cathode 1.
However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in the schematic diagram of FIG. 4, the carbon cathode 1 is rotated using a cylindrical cathode as the carbon cathode 1 and the anode 3 is moved along the axis of the cylinder. Move in the direction. At this time, both ends of the carbon cathode 1 may be connected to an AC power source to heat the entire carbon cathode 1 by self-heating due to resistance heating. In this way, preheating and heating of the carbon cathode 1 can be realized with a simple device.
[0035]
However, when the cathode material becomes large, in order to preheat and heat the entire cathode by resistance heating, not only the power source is increased, but also the heat loss of the cathode material due to radiation is large and the amount of electricity used is increased. Invite.
Therefore, in such a case, as shown in FIG. 5, a laser oscillator may be installed in the vicinity of the anode 3 to partially heat the cathode spot of the arc discharge or the front of the cathode spot.
Thus, the local heating is sufficient because the generation of carbon nanotubes affects only the temperature of the discharge generating portion of the cathode material. As another example of the local heating heat source, arc discharge by an electrode different from the electrode for generating the carbon nanotube may be considered.
[0036]
(Example 2)
Hereinafter, examples of the second embodiment will be described.
The conditions of this example are as follows.
(1) Carbon cathode 1: Flat carbon material (2) Anode 3: Rod-shaped carbon material (3) Discharge gas: Ar gas (supplied to the anode discharge generation section)
(4) Atmospheric gas: Atmospheric atmosphere (5) Cathode heating means: High frequency induction heating device (interval with carbon cathode: 4 mm)
(6) Anode cooling means: Water-cooled copper (7) Bogie 19 Movement speed: 10 cm / min
[0037]
When heating was performed with the starting frequency of the high-frequency induction heating apparatus set to 10 kHz under the above conditions, the cathode temperature increased to 800 ° C. only by high-frequency induction heating.
In this state, when Ar gas is injected into the discharge space from the discharge gas supply device and arc discharge is generated between the anode and the cathode, high-density and high-purity carbon nanotubes are generated.
[0038]
In this example, the discharge time in the atmosphere was 5 minutes. However, when the anode was not cooled, the consumption was so severe that continuous discharge for 2 minutes or more was impossible. On the other hand, when the anode was cooled with water, it was consumed somewhat immediately after the start of discharge.
[0039]
When observing the surface of the completed carbon nanotubes, it was observed that the amount of adhering impurities decreased compared to the case where the anode was not cooled. FIG. 6 is an enlarged photograph of the central part of the arc cathode spot. From this photograph, the difference in the impurity adhesion state depending on whether or not the anode is cooled is noticeable.
[0040]
From the results of this example, it was confirmed that most of the carbon impurities adhering to and depositing on the carbon nanotubes generated in the cathode discharge generating portion are flying objects from the anode. Therefore, by cooling the anode, it is possible not only to suppress the anode consumption more than necessary, but also to suppress the accumulation of scattered matter from the anode that becomes impurities on the carbon nanotubes generated on the cathode surface, as well as the length of the anode. It was proved that the life could be improved.
[0041]
In the above embodiment, the carbon material is used as the anode. However, the anode of the present invention is not limited to the carbon material, and may be a water-cooled copper electrode.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, since the entire cathode carbon material or the arc discharge part of the cathode carbon material is preheated and then arc discharge is performed between the anode and the anode, the yield of carbon nanotubes can be obtained with a simple device. Can be more.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the central portion of the cathode deposit obtained by the carbon nanotube manufacturing method according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a configuration of another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of another aspect of another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of another aspect of another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the central part of the cathode deposit obtained by the carbon nanotube manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon cathode 3 Anode 5 Arc discharge power supply 7, 11 Cathode heating means 9, 13 Anode cooling means 15 Moving mechanism 19 Carriage

Claims (8)

炭素材料からなる陰極を用いて直流アーク放電を行うことにより、カーボンナノチューブを合成するカーボンナノチューブの製造方法であって、
陰極炭素材料全体もしくは陰極炭素材料のアーク放電部を予熱してから陽極との間にアーク放電を行うとともに、前記陽極を冷却することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
A carbon nanotube production method for synthesizing a carbon nanotube by performing a direct current arc discharge using a cathode made of a carbon material,
A method for producing carbon nanotubes , comprising preheating an entire cathode carbon material or an arc discharge portion of the cathode carbon material, performing arc discharge between the anode and the anode, and cooling the anode .
陰極と陽極の相対位置を移動させながら直流アーク放電を行うことを特徴とする請求項1記載のカーボンナノチューブの製造方法。  2. The method for producing carbon nanotubes according to claim 1, wherein direct current arc discharge is performed while moving the relative position of the cathode and the anode. アーク放電中において、陰極炭素材料全体もしくは陰極炭素材料のアーク放電部をアーク放電とは別の加熱手段によって加熱することを特徴とする請求項1又は2記載のカーボンナノチューブの製造方法。  3. The method for producing carbon nanotubes according to claim 1, wherein the whole of the cathode carbon material or the arc discharge part of the cathode carbon material is heated by a heating means different from the arc discharge during the arc discharge. 予熱温度を500℃〜2000℃とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のカーボンナノチューブの製造方法。  The method for producing a carbon nanotube according to any one of claims 1 to 3, wherein the preheating temperature is 500C to 2000C. 予熱方法を高周波誘導加熱または別電極によるアーク放電またはレーザー照射による加熱または別電源による通電加熱とすることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のカーボンナノチューブの製造方法。The method for producing carbon nanotubes according to any one of claims 1 to 4, wherein the preheating method is high-frequency induction heating, arc discharge by another electrode, heating by laser irradiation, or energization heating by another power source. 炭素材料からなる陰極電極と、
該陰極電極と所定の間隔を離して対向配置された陽極電極と、
該陽極電極及び前記陰極電極に接続されてこれらの電極間にアーク放電を起こさせるアーク放電用電源と、
前記陰極電極全体または前記陰極電極のアーク放電部を加熱する加熱手段と、
前記陽極電極を冷却する陽極冷却手段と
を備えたことを特徴とするカーボンナノチューブ製造装置。
A cathode electrode made of a carbon material;
An anode electrode disposed opposite to the cathode electrode at a predetermined interval;
An arc discharge power source connected to the anode electrode and the cathode electrode to cause arc discharge between these electrodes;
Heating means for heating the entire cathode electrode or an arc discharge portion of the cathode electrode;
An apparatus for producing carbon nanotubes, comprising: an anode cooling means for cooling the anode electrode .
陰極電極と陽極電極を相対的に移動させる移動手段を備えたことを特徴とする請求項記載のカーボンナノチューブ製造装置。7. The carbon nanotube production apparatus according to claim 6, further comprising moving means for relatively moving the cathode electrode and the anode electrode. 加熱手段は、高周波誘導加熱装置または別電極によるアーク放電装置またはレーザーまたは別電源による通電加熱装置であることを特徴とする請求項又は記載のカーボンナノチューブ製造装置。The carbon nanotube manufacturing apparatus according to claim 6 or 7 , wherein the heating means is a high-frequency induction heating apparatus, an arc discharge apparatus using another electrode, or an energization heating apparatus using a laser or another power source.
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